Теплоснабжение – паровые котлы
Самым распространенным теплоносителем на различных промышленных предприятиях является пар. Он используется во многих теплообменных аппаратах, в паровых рубашках автоклавов, для привода различных механизмов и т.д.
При непосредственном контакте пар весьма эффективен в качестве увлажнителя. Его используют для пропарки древесины, комбикорма, изделий легкой промышленности и в других технологических процессах. Без использования пара не смогут работать предприятия строительной отрасли, заводы железобетонных изделий, кондитерские фабрики и разнообразные предприятия по переработке сельхозпродукции.
В холодное время года масло, мазут и другие вязкие среды настолько теряют свою текучесть, что их транспортировка и использование возможны только при подогреве трубопроводов и емкостей. Наиболее оптимальным в этих случаях нередко оказывается применение именно пара. На строительных площадках, при аварийных и ремонтных работах в коммунальном хозяйстве для размораживания песка, щебня, оттаивания наледи, грунта, дренажных и канализационных систем, прогрева машин и механизмов также оказывается полезен пар (для его получения существуют передвижные установки небольшой мощности).
В качестве теплоносителя пар достаточно часто используется в системах центрального отопления промышленных и жилых зданий. При одной и той же температуре энтальпия (теплосодержание) пара значительно выше, чем у воды. Это объясняется тем, что в процессе фазового перехода "вода-пар", затрачивается большое количество энергии. Соответственно и обратный процесс перехода пара в жидкость (конденсация) сопровождается выделением большого количества энергии.
Предприятие может получать пар от сторонних источников - крупных котельных централизованного теплоснабжения или парогенераторов других организаций. Другой путь - установка собственных паровых котлов. Основным недостатком первого способа является зависимость от желания и возможности поставщика обеспечить надежную подачу пара и его качество. Кроме того, формируя цену, продавец часто старается списать на покупателя утечки пара, низкую эффективность своей котельной. Во втором случае требуются значительные капитальные вложения, решение вопросов обслуживания установок, подачи энергоносителя. (Чаще всего в паровых котлах используется органическое топливо: природный газ, солярка, мазут, уголь, торф, дрова, сланцы и др. Существуют и электрические парогенераторы.)
В паровом котле выделившаяся при сжигании топлива энергия передается воде, которая сначала нагревается, а затем, при определенной для каждого давления температуре, превращается в пар. В процессе парообразования температура теплоносителя остается неизменной, но вода постепенно превращается в насыщенный (находящийся в равновесии с жидкой фазой и имеющий максимальную плотность при данной температуре и давлении) пар. При испарении всей жидкости получается сухой (без частиц влаги) насыщенный пар. Если к сухому насыщенному пару продолжать подводить тепло, то его температура будет повышаться, и мы получим перегретый пар.
Три столетия назад, когда тепловую энергию стали использовать для совершения работы, паровые котлы представляли собой сосуд с водой, обогреваемый дровяным (а позже - угольным) костром. Затем топочное устройство, получившее название "жаровая труба", стали располагать в водяном объеме, а котлы стали называть "жаротрубными". В конце XVIII века появились водотрубные паровые котлы, в которых горячими продуктами сгорания обогревался уже не массивный сосуд с водой, а большое число мелких труб, через которые проходили вода и пароводяная смесь.
В наши дни в "большой энергетике", где котлы вырабатывают перегретый пар для турбогенераторов, используются исключительно водотрубные установки. Коммунально-бытовые и промышленные котлы можно встретить как жаро-, так и водотрубной конструкции. Бесспорными преимуществами жаротрубных котлов являются их компактность и возможность поставки заказчику полностью в собранном виде. Благодаря этому объем монтажных работ сводится практически к подсоединению приобретенного парового котла к магистралям питательной воды и пара, к линии топливоподачи и (при необходимости) к сети электропитания.
В последние годы отечественные и зарубежные производители поставляют на российский рынок котлы разного типа: в коммунально-бытовом секторе и на предприятиях с небольшой потребностью в паре преобладают высокоэффективные жаротрубные котлы, а на крупных предприятиях и в котельных систем центрального отопления чаще встречаются водотрубные котлы, вырабатывающие насыщенный или слегка перегретый пар.
В современных водотрубных паровых котлах процессы подогрева воды, парообразования и перегрева пара протекают в различных зонах котельной установки, имеющих свое название: экономайзер, испарительная часть (топочные экраны и трубные котельные пучки), пароперегреватель. В жаротрубных и жаротрубно-дымогарных котлах процессы подогрева воды и испарения происходят, как правило, в одном объеме. Такие котлы устанавливают обычно для отопительных целей или на предприятиях с технологией, предполагающей использование насыщенного пара.
Вода в этих котлах воспринимает тепло через стенки жаровой трубы (в которой сгорает топливо) или от высокотемпературных продуктов сгорания, проходящих через дымогарные трубки небольшого диаметра. Именно в этом заключается принципиальное отличие жаротрубно-дымогарных котлов от водотрубных, в которых нагреваемая и испаряемая вода протекает по трубам, а топочные газы обтекают эти трубы снаружи.
Для жаротрубных котлов существует ограничение по мощности и рабочему давлению. Дело в том, что при проектировании сосуда высокого давления толщина стенки определяется заданными значениями его диаметра, давления и температуры. И если эти параметры будут расти, то и толщина стенки окажется непомерно большой.
Для утилизации тепла отходящих газов котлы снабжают внешним или встроенным экономайзером. Пароперегреватель - это теплообменный аппарат, предназначенный для повышения температуры пара выше температуры насыщения.
Еще одно важное соображение, касающееся уже вопроса безопасности: нарушение плотности крупного жаротрубного котла приведет к мгновенному испарению большого объема воды, и последствия такого взрыва будут тем больше, чем больше объем сосуда и выше давление в нем.
Несмотря на высказанные опасения, многие отечественные, и особенно зарубежные производители котлов, используя современные технологии и новые конструкционные материалы, освоили выпуск жаротрубно-дымогарных паровых котлов производительностью до 30,0 т/ч на давление до 1,0 МПа.
У водотрубных котлов вода и пар протекают по трубам малого диаметра, поэтому они практически не имеют ограничений по давлению и по паропроизводительности. В "большой энергетике", например, уже работают котлы (их чаще называют "парогенераторами") производительностью более 4000 т пара/ч. Давление в некоторых котлах составляет 26,0-30,0 МПа, а температура перегрева - 650°C. Такие котлы обеспечивают паром энергоблоки мощностью 1000—1300 МВт на электростанциях в США, России, Японии и в некоторых странах Европы. В промышленной энергетике обычно используют менее мощные водотрубные котлы: в России, например, широко распространены барабанные котлы с естественной циркуляцией, выпускаемые Бийским и Белгородским котлостроительными заводами: ДКВр-10/13, ДЕ-25, БКЗ-75 и т.д. В этих котлах пар образуется главным образом в так называемых экранных трубах, защищающих, кроме всего прочего, ограждения котла от излучения высокотемпературной зоны топочной камеры. Пароводяная смесь из топочных экранов поступает обычно в верхний необогреваемый барабан, где происходит сепарация воды и пара. Насыщенный пар, благодаря давлению в барабане котла, поступает к потребителю, а вода по необогреваемым опускным трубам подается к нижним коллекторам топочных экранов. Подъемное движение в топочных экранах осуществляется за счет разности плотностей воды в опускных трубах и пароводяной смеси в экранных трубах.
В отличие от описанных выше котлов с естественной циркуляцией в "большой энергетике" встречаются котлы с принудительной циркуляцией, когда движение воды в топочных экранах обеспечивает специальный насос, или так называемые прямоточные котлы, в которых барабан вообще отсутствует, а пар получается на выходе из котла при однократном прохождении воды через трубные поверхности нагрева.
Прямоточные котлы оказываются единственным возможным способом получения пара при давлении выше критического (22,1 МПа), а также в некоторых случаях, когда малые габариты или другие конструктивные ограничения не позволяют организовать естественную циркуляцию. Именно эта, последняя причина, заставляет производителей самых маленьких паровых котлов, рассчитанных на генерацию 100-200 кг пара/ч, выполнять их прямоточными.
В. Котлер,
кандидат технических наук